RC底框架結(jié)構(gòu)中柱在火災(zāi)中的截面破壞型式

屈立軍，李煥群，李勝利，王躍琴，史可貞

(武警學(xué)院，河北 廊坊 065000)

●消防理論研究

RC底框架結(jié)構(gòu)中柱在火災(zāi)中的截面破壞型式

屈立軍，李煥群，李勝利，王躍琴，史可貞

(武警學(xué)院，河北 廊坊 065000)

為評(píng)估RC底框架結(jié)構(gòu)的耐火性能，利用實(shí)體火災(zāi)試驗(yàn)研究框架中柱的截面破壞型式。結(jié)果表明，底框架中柱在火災(zāi)中可能發(fā)生3種破壞型式：斜壓破壞、壓潰破壞和彎曲破壞，并分別分析了3種破壞型式的發(fā)生條件。探討了軸心受壓柱高溫承載力計(jì)算公式的適應(yīng)性，得出該計(jì)算方法可以適用于壓潰破壞和彎曲破壞型式，但不適用于斜壓破壞型式。

底框架中柱；火災(zāi)；斜壓破壞；壓潰破壞；彎曲破壞

鋼筋混凝土底框架商住樓是指在建筑底部1～2層采用鋼筋混凝土框架體系，形成較大空間以作商業(yè)用房，在建筑上部2～10層采用磚混結(jié)構(gòu)，常用作住宅。由于底框架結(jié)構(gòu)造價(jià)較低，在非地震區(qū)中小城鎮(zhèn)應(yīng)用非常廣泛。如2007至2010年間，湖南永州市共新建底框架商住樓為476棟，占新建建筑總數(shù)的35%。但是，底框架商住樓的耐火性較差，在火災(zāi)中可能發(fā)生失效倒塌。因此，研究底框商住樓的耐火性能，分析揭示其結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理，對(duì)提高我國(guó)建筑結(jié)構(gòu)的抗災(zāi)可靠度具有重要意義。

1 試驗(yàn)建筑概況

圖1為試驗(yàn)建筑照片。試驗(yàn)共建造6棟相同建筑，采用碳骨料混凝土，41天抗壓強(qiáng)度為23.9 MPa。鋼筋采用HRB335,實(shí)際抗拉強(qiáng)度為353.3 MPa。梁、柱箍筋為HPB235。底部房間3.6 m×3.6 m×4.5 m(高)，采用單向框架，3根柱截面均為250 mm×250 mm,配4根16 mm鋼筋，Φ6@200箍筋。橫梁與板整澆，截面250 mm×500 mm，截面負(fù)鋼筋4Φ16，正鋼筋2Φ16，Φ6@200箍筋，樓板厚度120 mm，配10@200主筋(HPB235，雙向)，板上未加荷載。中柱四面受火，2根邊柱在磚墻內(nèi)。磚墻厚度240 mm，MU10磚，M5水泥砂漿。為節(jié)省經(jīng)費(fèi)，底框架上部的磚混結(jié)構(gòu)省略，采用3 m×3 m×2 m鋼筋混凝土水箱，試驗(yàn)時(shí)注水對(duì)框架柱加載。試驗(yàn)前3個(gè)月，對(duì)水箱注水，對(duì)地基進(jìn)行了預(yù)壓。試驗(yàn)建筑分別編號(hào)為1、2、3、4、5、6號(hào)，其中1號(hào)和3號(hào)建筑僅采用水箱加載，中柱的標(biāo)準(zhǔn)加載比率(軸力標(biāo)準(zhǔn)值/當(dāng)天承載力標(biāo)準(zhǔn)值)分別為0.283和0.176，其余2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)共4棟建筑采用水箱和簡(jiǎn)支鋼梁重力加載系統(tǒng)共同加載，中柱的標(biāo)準(zhǔn)加載比率分別為0.298,0.394,0.39,0.391。

試驗(yàn)采用木方為燃料，點(diǎn)火后任其自由燃燒，直至結(jié)構(gòu)失效倒塌。3號(hào)建筑因加載較小且火作用不夠大，未能按預(yù)期失效倒塌，試驗(yàn)失敗。2號(hào)建筑第一次也未失效，第二次點(diǎn)火在轟燃后40 min中柱失效。4號(hào)建筑在轟燃后223 min中柱失效，簡(jiǎn)支鋼梁所加荷載卸載，結(jié)構(gòu)自重及水箱荷載由邊柱及墻體支撐，火持續(xù)20 min后建筑全部倒塌。5號(hào)建筑在轟燃后230 min中柱失效，6號(hào)建筑在轟燃后223 min中柱失效。1號(hào)建筑在轟燃后261 min中柱失效。1號(hào)、2號(hào)、5號(hào)、6號(hào)建筑中柱失效后，結(jié)構(gòu)自重由邊柱和墻體支撐未倒，直到試驗(yàn)結(jié)束后拆除。

圖1 試驗(yàn)建筑照片

2 框架中柱的截面破壞型式

文獻(xiàn)[1]已詳細(xì)報(bào)告了火作用及結(jié)構(gòu)的火反應(yīng)，本文將主要報(bào)告和分析中柱的截面破壞型式。5次成功的倒塌試驗(yàn)表明，框架中柱在重力荷載和溫度共同作用下，截面可能發(fā)生3種破壞型式：斜壓破壞、壓潰破壞和彎曲破壞。

2.1 斜壓破壞

斜壓破壞是指:破壞截面沿柱子軸線呈現(xiàn)一銳角角度斜向錯(cuò)位，如圖2所示。

斜壓破壞發(fā)生的條件是：柱子承受的軸力適中，由于加載或結(jié)構(gòu)情況，或四周受火不均勻造成柱子承受一定的剪力，在剪應(yīng)力和豎向壓應(yīng)力共同作用下，產(chǎn)生了與柱子軸線呈一定角度的主壓應(yīng)力，如圖3所示。

當(dāng)軸力和剪力產(chǎn)生的主壓應(yīng)力σcp大于柱子混凝土的強(qiáng)度，造成沿主壓應(yīng)力方向一致的斜向錯(cuò)位破壞，斜壓破壞的內(nèi)力分量是軸力和剪力。這種斜壓破壞型式在常溫混凝土柱的破壞試驗(yàn)中很少出現(xiàn)。由于目前的混凝土柱的承載力計(jì)算模型一般是引入材料強(qiáng)度隨溫度的衰減后采用與常溫相同的模型，所以今后應(yīng)進(jìn)一步研究，建立適用于斜壓破壞型式的高溫承載力計(jì)算模式。

圖2 斜壓破壞

圖3 斜壓破壞截面應(yīng)力狀態(tài)

2.2 壓潰破壞

壓潰破壞是指：沿柱子軸線一定高度被壓壞，縱向鋼筋壓屈，混凝土被壓碎，典型破壞形狀如燈籠狀，類(lèi)似于常溫短柱的破壞形態(tài)，如圖4所示。

圖4 壓潰破壞

壓潰破壞發(fā)生的條件是：柱子所受軸力較大，四周受火較為均勻，柱子橫向變形很小。當(dāng)軸向壓力大于柱子正截面鋼筋和混凝土的承載力時(shí)，在柱子某一薄弱截面產(chǎn)生破壞，混凝土被壓碎，縱向鋼筋外屈，形似燈籠狀，這與混凝土短柱的常溫破壞試驗(yàn)非常相似。造成壓潰破壞的內(nèi)力分量只有軸力。圖4中2號(hào)樓中柱的標(biāo)準(zhǔn)加載比率為0.298,但該破壞是在受第二次火作用下發(fā)生的，當(dāng)混凝土在第一次火作用中，其強(qiáng)度已受到較大損傷，實(shí)際加載比率要大幅度增加。

2.3 彎曲破壞

彎曲破壞是指：破壞截面一側(cè)受拉鋼筋屈服，另一側(cè)鋼筋受壓屈服，混凝土被壓碎，類(lèi)似于常溫長(zhǎng)柱的破壞形態(tài)，如圖5所示。

彎曲破壞發(fā)生的條件是：柱子所受軸力較小，彎矩較大，柱子某個(gè)面及其對(duì)面受火很不均勻，兩側(cè)溫差大，破壞前柱子橫向變形明顯增大。造成柱子彎曲破壞的內(nèi)力分量是彎矩和軸力。本試驗(yàn)研究1號(hào)樓中柱是在圖示箭頭所示截面破壞后，引發(fā)了柱子下部分另一截面破壞，所以圖5(b)顯示了2個(gè)截面的破壞。

(a)破壞前 (b)破壞后圖5 彎曲破壞

3 軸心受壓柱高溫承載力計(jì)算公式的適應(yīng)性

由于鋼筋混凝土框架中柱通常所受彎矩較小，其高溫承載力一般按軸心受力構(gòu)件計(jì)算[2]。軸心受壓構(gòu)件在高溫下正截面達(dá)到其承載力極限狀態(tài)時(shí)[3]，鋼筋和混凝土均達(dá)到其高溫下的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，截面受力簡(jiǎn)圖如圖6所示。承載力計(jì)算公式為：

圖6 軸心截面受壓計(jì)算簡(jiǎn)圖

上式實(shí)際上套用了常溫軸心受壓構(gòu)件的承載力計(jì)算公式，是以短柱為基礎(chǔ)，認(rèn)為縱向鋼筋和混凝土都達(dá)到了各自的抗壓強(qiáng)度，然后引入縱向穩(wěn)定系數(shù)以考慮長(zhǎng)柱的縱向彎曲效應(yīng)。由于壓潰破壞機(jī)理與常溫短柱相同，而彎曲破壞機(jī)理與常溫長(zhǎng)柱相同，引發(fā)其破壞的內(nèi)力分量是軸力和彎矩，計(jì)算公式中已經(jīng)考慮了軸力和彎矩的影響(彎矩影響以穩(wěn)定系數(shù)φ間接體現(xiàn))，所以用類(lèi)似于常溫承載力的計(jì)算方法來(lái)計(jì)算壓潰破壞和彎曲破壞型式的高溫承載力是合理的。但斜壓破壞的破壞機(jī)理明顯不同于壓潰破壞和彎曲破壞，引發(fā)斜壓破壞的內(nèi)力分量是軸力和剪力，所以類(lèi)似于常溫承載力的計(jì)算方法不適用于斜壓破壞情況。

4 結(jié)論與建議

鋼筋混凝土中柱在火災(zāi)中可能發(fā)生3種破壞型式：當(dāng)柱子所受剪力和軸力較大時(shí)發(fā)生斜壓破壞，當(dāng)柱子所受剪力較小而軸力較大且四周受火均勻時(shí)發(fā)生壓潰破壞，當(dāng)柱子所受軸力較小而彎矩較大或?qū)γ媸芑鸩痪鶆驎r(shí)發(fā)生彎曲破壞。

鋼筋混凝土軸心受力構(gòu)件的常溫計(jì)算方法可以適用于壓潰破壞和彎曲破壞型式，但不適用于斜壓破壞型式，建議研究新的計(jì)算公式以考慮可能的斜壓破壞。

[1] 屈立軍，彭天國(guó)，李勝利,等.鋼架混凝土底框架結(jié)構(gòu)框架中柱耐火性能試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2011,44(2)：50-57.

[2] 宋玉普，王清湘.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004：117-119，187-189.

[3] 屈立軍，李勝利，李煥群,等.底框架結(jié)構(gòu)的耐火極限數(shù)值分析[J].消防科學(xué)與技術(shù),2011,30(7)：557-562.

(責(zé)任編輯 馬 龍)

Section Failure Mode of RC Bottom Frame Interior Column in Fire

QU Lijun, LI Huanqun, LI Shengli, WANG Yueqin, SHI Kezhen

(TheArmedPoliceAcademy,Langfang,HebeiProvince065000,China)

In order to evaluate the fire resistance capability of RC bottom frame, the section failure mode of its interior column had been studied, using the real fire tests. The results show that: There would be 3 kinds of section failure modes of interior column of bottom frame under fire, diagonal compression failure, crush failure, flexure failure, and analyses the condition that occur three kinds failure modes respectively. The thesis discussed adjustability of the calculate formula of which the carrying capacity for axes-compressed column under high temperature, the calculate method only fit with the modes of crush failure and flexure failure, but not suit for the modes of diagonal compression.

interior column of bottom frame; fire; diagonal compression failure; crush failure; flexure failure

2015-02-28

國(guó)家“十一五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目“典型社會(huì)公共場(chǎng)所突發(fā)事件應(yīng)急處置關(guān)鍵技術(shù)研究”子專(zhuān)題“底框架商住樓在火災(zāi)中倒塌時(shí)間預(yù)測(cè)研究”(2006BAK06B05-1)

屈立軍(1957— )，男，陜西商州人，教授，從事建筑結(jié)構(gòu)耐火設(shè)計(jì)與評(píng)估研究和教學(xué)工作； 李煥群(1974— )，男，湖南邵東人，副教授； 李勝利(1975— )，男，河南商丘人，副教授； 王躍琴(1978— )，女，天津靜海人，副教授； 史可貞(1985— )，男，陜西興平人，講師。

TU375.4；D631.6

A

1008-2077(2015)06-0005-04